綠色校園建筑的照明策略：以 Thomas Paine Study Center為例

曹燕華 袁 樵

(復旦大學環境與科學工程系，上海 200433)

1 引言

建筑總能耗在中國能源消費總量中的份額已經超過27%，而照明用電在建筑總能耗中占有相當比例，降低建筑中的照明能耗對于實現節能減排、緩解環境危機的雙重目標有著重要意義。高等院校是多元文化、先進科技和優秀人才的孕育基地，其對于諸多先進低碳節能技術的應用，不僅對改善氣候問題、緩解能源危機有重要作用，對貫徹落實“十二五”規劃中低碳節能和可持續發展的規劃目標也有指導典范作用。綠色校園建筑的照明策略研究對于節能可持續照明的發展有著巨大的推進作用。

本文通過對英國東英吉利大學最新的綠色校園建筑——Thomas Paine Study Center的典型辦公室照明策略進行照明模擬計算，從而對綠色校園建筑照明策略的諸多發展途徑進行初步的探討和研究，旨在為進一步發展節能可持續照明作一份貢獻。

2 Thomas Paine Study Center簡介

Thomas Paine Study Center(TPSC)是繼ElizabethFry Building之后，東英吉利大學最新的綠色校園建筑，共有兩個階段。該建筑不但成功的實現了低碳節能的目標，同時為廣大學生和老師提供了一流的學習、工作、科研環境和各類行政輔助功能。

本文主要討論TPSC的第二階段，于2010年開放。其使用者主要為挪威商業學校的師生，建筑的主要功能定位為辦公行政樓。部門辦公室的配置主要為分格式辦公室以及相關的輔助支持區域。

TPSC第二階段房屋面積為1162平方米。在所有樓層都配置有可容納3人進行學術討論的分格式辦公室以及供員工進行會議討論和學術展示的大型會議空間。此外，打印區域及茶歇空間等輔助支持空間也設置在每一樓層以提供和諧交流的環境，促進彼此溝通。

3 TPSC辦公教學區照明策略簡介

TPSC的辦公教學區的照明策略主要采用天然采光結合人工照明的方式。

天然采光區域選用高性能的低輻射玻璃作為窗戶、這種玻璃在其密封的雙層玻璃單元間填充了氬氣。在建筑南立面，特別配置有可以調節的百葉窗遮陽板以控制進入室內的自然光。

人工照明主要從智能高效的照明控制系統、高效節能的照明設備以及最優化合理的照明設計三方面考慮。在辦公室以及教學區域，使用結合控制系統、感應器以及調光裝置的人工照明以配合天然采光，從而為室內提供恒定的溫度和照度。照度要求應嚴格遵循相關國家標準，不能低于標準值，也不能大幅度高于標準值從而造成不必要的電能消耗。選擇附有高頻傳動裝置的緊湊型熒光燈或T5三基色熒光燈以提高能源利用率。一般照明在滿足基本照度需求的前提下應盡量滿足光源類型及數量最少化，同時充分考慮及利用庫存中留存的燈具［1］。

4 TPSC典型空間照明模擬計算

TPSC第二階段共三層，每一層典型室內空間均為分格式辦公室，其建筑底層平面布置圖如圖1所示，而其中E-E剖面細部如圖2所示。本文將選擇“Office 4”作為示范空間，對其進行模擬計算，從而進一步研究分格式辦公室的照明策略及其成效。

圖1 TPSC一層平面圖Fig.1 1stfloor plan of TPSC

圖2 TPSC E—E剖面圖Fig.2 E—E section plan of TPSC

4.1 模型空間設置

模擬辦公室空間“Office 4”空間尺寸如下:長3.6m、寬 3.05m，面積約為10.98m2，層高3.065m。墻面和頂棚都粉刷成白色，地面為條形橡木板。集成可旋轉百葉窗的透光玻璃單元設置在南立面高于成品層高0.9m處。模擬辦公室室內各個元素的反射系數如表1所示。

表1 辦公室各個元素的反射系數Table 1 Reflection factors of different sections in office

4.2 空間燈具設置

本模擬辦公室空間晝光控制的天然采光結合人工照明策略中所選取的燈具及其參數如表2所示。

表2 辦公室燈具配置Table 2 Parameters of luminaries

4.3 照明模擬計算

本節通過照度計算軟件Relux對無控制的純天然采光、利用遮陽板晝光控制的天然采光以及晝光控制的天然采光結合人工照明三種照明策略進行模擬，從而對綠色校園建筑TPSC的典型辦公空間的最優照明策略進行詳細探討。

4.3.1 無控制純天然采光模擬

在側窗采光情況下，室外晝光一般通過三種方式進入室內:直射太陽光、散射天空光、地面和附近建筑物的反射光。在這里，僅考慮太陽直射光和散射天空光。

建筑位于英國諾維奇市，北緯52.6度，東經1.3度。通過照度計算軟件 Relux對模擬辦公室空間進行純天然采光模擬。該場景不設置人工照明及百葉窗遮光板，以考察無控制的純天然采光效果，測光結果如表3所示。

表3 無控制純天然采光測光結果表Table 3 Calculating results of uncontrolled daylighting

由表3可知，TPSC辦公空間側窗采光面積大，對白天室內照明貢獻很大，僅依靠天然采光照明時室內平均照度水平即可滿足工作任務要求。然而，在沒有采用晝光控制的情況下，無論是全晴天空還是全陰天空，整個空間的照度分布，包括工作面的照度分布都極不均勻。0.75m水平面照度最大值為2020lx，而最小照度值僅為59lx，二者相差30倍之多。故而光環境質量無法滿足照度均勻性的要求。

4.3.2 遮陽板晝光控制模擬

在本模型中，遮陽板百葉角度可以根據需要在零至一百八十度范圍內進行手動調節，葉片寬度和葉片間間距均為40mm。純天然采光情況下，通過調節遮陽百葉角度進行晝光控制。以葉片閉合角度為基準0度，每隔15度進行順時針調節，測光結果如表4所示。

表4 遮陽板晝光控制測光結果表Table 4 Calculating results of louver-controlled daylighting

由表4可知，當百葉窗遮光板順時針旋轉在15°、90°、105°、120°、135°、150°、165°時，采光系數極低，且對0.75m工作面平均照度值的貢獻極為低下。而當其順時針旋轉在45°至60°之間時，采光系數具有最大值;30°至45°之間以及60°至75°之間，采光系數也具有可觀的平均值。故而，除非在日光特別強烈的情況下，在使用百葉窗進行晝光控制時，角度適宜控制在順時針旋轉30°到 75°之間。

4.3.3 晝光控制的天然采光結合人工照明

設置百葉窗遮光板的純天然采光以犧牲采光系數為代價，雖然有效地控制了天然光，卻無法為該工作面提供足夠的照度水平以及照度均勻度。故而，需要人工照明對其進行補充。

百葉窗遮光板順時針旋轉75°的模擬結果如圖3、圖4所示，而旋轉角度30°至75°時，晝光控制的天然采光結合人工照明的測光結果如表5所示。

圖3 天然采光+人工照明照度偽色分布圖Fig.3 Pseudo colors distribution

表5 晝光控制的天然采光結合人工照明測光結果表Table 5 calculating results of louver-controlled daylighting with artificial lighting

由表5可知，四個角度下，0.75m工作面的平均照度模擬值的平均值為358lx，略高于標準值(300lx)，處于標準值的±20%之內。而照度均勻度的平均值為0.68，處于標準值 (0.7)的±10%之內。

本模擬場景未考慮智能控制照明系統，等價于調光及感應模式關閉。通過對燈具進行智能調光控制，使0.75m工作面的平均照度值略高于300lx，在滿足標準值的同時、不顯著高于標準值的，從而進一步貫徹低碳節能的宗旨。

根據TPSC整個建筑設計的電力供應和分配標準，照明部分的允許值為8 W m2，而本模型 (晝光控制的天然采光結合人工照明)的模擬照明功率密度LPD為7.19 W m2，符合低碳節能的標準。

5 小結

東英吉利大學最新綠色校園建筑Thomas Paine Study Center很好地實現了控制碳排放以及提供舒適高效的教學辦公環境的雙重目標。其辦公教學區主要采用遮陽板晝光控制的天然采光結合人工照明的照明策略。

TPSC典型辦公室空間的天然采光照明模擬計算結果顯示，無晝光控制的天然采光為0.75m水平面提供了448lx的平均照度，然而其照度最大值為2020lx，與最小照度值相差30倍之多。其光環境質量卻無法滿足照度均勻性的要求，因此晝光控制十分重要。利用百葉窗進行晝光控制的天然采光通過對遮陽板的調節，角度適宜控制在順時針旋轉30°到75°之間，從而有效控制進入室內的自然光，很大程度提高空間的采光系數均勻度以及照度均勻度。

人工照明以懸掛式熒光燈及嵌入式筒燈結合智能高效的控制系統提供適當的一般照明，以可調光、高度可調節的臺燈提供工作區重點照明。TPSC典型辦公室空間的天然采光結合人工照明的模擬計算結果顯示，在未使用智能調光控制時，遮陽板順時針旋轉在30°至75°之間時，0.75m工作面的平均照度模擬值平均在358lx左右，而照度均勻度平均值為0.68，照明功率密度LPD為7.19 W m2，均符合綠色校園建筑相關標準。此外，在現模擬基礎上應用照明智能調光控制系統，使0.75m工作面的平均照度值略高于300lx，在滿足標準值的同時、不顯著高于標準值，能夠進一步貫徹低碳節能的宗旨。

最后，在成本允許的前提下，筆者建議在綠色校園建筑中更多地選擇LED燈具，充分利用其高壽命高光效的特點，從而進一步服務于低碳節能的宗旨。

［1］Martin Ingham.Thomas Paine Study Center:How it Works［J OL］.Build with CaRe.http: www.buildwithcare.eu images pdfs tpsc_how_it_works_march_2012.pdf，2012－03.